内容 | 封志刚 (Ph.D.) 、李睛、 张驰
来源 Bose Professional
下一代线性阵列扬声器技术如何创造全新的剧场扩声体验？
据统计，从2000年起，全国平均每8.5天就出现一座新的剧场；2020年底，全国共拥有2690多座专业剧院/剧场。我国剧场剧院发展迅猛，逐渐成为推动艺术市场繁荣发展的重要力量。但传统线阵列却由于建筑声学条件，如反射和混响，以及阵列化和增益的影响，往往难以满足现代化剧场剧院的扩声需求，由此一种全新的阵列扬声器理论和技术——渐变指向性阵列便应运而生。
传统线阵列应用于剧场剧院所存在的问题
传统的线阵列音箱主要是为大型户外摇滚音乐会而开发的1)，这种演出的场地大、观众多，导致声压的远距离传输损耗问题严重。该系统对这类应用很有效，因为线阵列扬声器阵列位于舞台的两侧，使得大部分观众都处于垂直于扬声器阵列的主要覆盖区域内，水平覆盖范围足够宽，以便为所有现场观众提供足够的声能量，包括舞台两侧以及正面的观众，这已经成为巡回演出扩声应用领域的标准。
但当我们将传统线阵列模块构建扬声器系统用于室内扩声的固定安装时，却存在两个重大问题2)3)。
第一个问题是，传统线阵列的非预期使用，使得不同辐射方向上的频率响应差别很大。为了适应室内观众座位布局，扬声器阵列必须挂高，由此具有很大的垂直覆盖角，观众不再位于传统线阵列的主要辐射平面，而传统线阵列模块的角度通常为0度，阵列的下半部分音箱必须散开形成一个有弧度的形状(J形阵列)，以覆盖增加的垂直角度，音箱间出现间隔和缝隙，会造成声干涉即梳状滤波效应。而阵列的上半部分也要求形成一个弧形的形状，而不是直线，以避免耗散多余的能量。同时，由于室内观众的分布，必须对不同模块进行增益调节，否则会造成近场观众区声压级过大，远场声压级过小的问题，增益调节进一步影响声场分布和音色平衡4)。
第二个问题与水平覆盖控制有关。传统线阵列具有宽广的水平覆盖，满足大型户外场地的扩声需求，但这一特性在固定安装的室内环境里造成来自侧墙和天花板的声反射，极大影响主观众区内的音色平衡性和清晰度。
由此，我们迫切地需要一种全新的阵列技术解决这些问题，能在室内固定安装项目中呈现理想的扩声效果。
渐变指向性阵列的定义
当构成扬声器阵列的模块各自在水平和垂直方向均有独特的辐射角度，以适应目标区域时，就可以选择每个模块的角度，从而帮助补偿每各模块间的距离损失。这样做是很自然的，因为向近场观众区辐射能量的模块需要宽广的方向，而指向远场辐射的模块则是相反的要求。辐射角度越窄，指向性指数就越高。有了这个概念，室内建筑声学的影响可以消除，从而获得预期的而且一致的频率响应。使用新型导波管来消除模块间的相位抵消也同样重要，因为相位抵消也同样可以劣化在阵列覆盖区域内的音色平衡的一致性。
由此，Bose Professional提出了一种新型阵列扬声器系统，称为渐变指向性阵列(Progressive Directivity Array ,PDA)，用以实现上述特征和要求。这就建立了一种全新的阵列扬声器系统类别，并且相比于现存的线阵列扬声器系统能够为剧场等室内扩声提供更好的性能。
图 1：不同增益情况下阵列的极坐标响应 (10dB/div.)
渐变指向性阵列的特点
这种新型渐变指向性阵列技术能完美地解决建筑声学，阵列化及增益调节等方面的挑战，提供一致的音色平衡性，等同于理想环境下单独模块的音质。它主要具备以下五个重要性能特点。
• 灵活地控制各模块的辐射角度，以满足每个模块的目标覆盖区域。
• 对每个模块进行有效的角度控制，控制的频率降至1kHz或更低，以减少建声的影响。
• 阵列可以由具有不同角度的模块构成，使阵列的覆盖范围与房间内听音区域相匹配。
• 通过适当地为模块分配不同的指向性指数，实现对距离损失的物理补偿。
• 模块以特定方式连续排列而不产生间隙，避免模块间接缝引发相位抵消现象。
渐变指向性阵列应用的里程碑案例
渐变指向性阵列运用在艺海剧院成为了剧场剧院当中一个不可忽视的里程碑项目，同时也奠定了渐变指向性阵列这项新技术在该领域的基础。
艺海剧院地处上海市静安区江宁路466号、康定路交汇处，与静安体育中心毗邻，建成于2001年。此次历时一年多的修缮是艺海剧院建成以来的首次大修，剧院将定位于音乐剧专属剧场，集演出、排练、孵化于一体。大剧场的座位也从999座增加到了1038座。
艺海剧院整个观众厅呈扇形，观众席深约为22m，宽约25m，地面到顶部装饰面高约12m，舞台口宽约15m。观众席有二层眺台深约8m，舞台前部有升降乐池，整体结构上是一个中型剧院。
艺海剧院改造项目的扩声设计环节，业主对扬声器的安装位置有着严苛的要求，因为是改造项目，安装位置和声桥的开孔尺寸都有限制，必须将扩声扬声器安装在这些固定好的声桥内，同时又要要满足均匀的覆盖，清晰的人声表现及一致的音乐平衡性。
因此，Bose Professional通过Bose的声场模拟分析软件Modeler5)，对扬声器的安装位置及角度进行多次声场模拟分析，最终采用非对称水平角度的弧形曲率阵列扬声器来实现最佳的音色平衡，减少侧墙反射(从图2可以看出，打在侧墙的声能量几乎没有)，对不同位置的听音区提供均匀的声覆盖(从图3可以看出，整个观众区的声场覆盖非常均匀)。
图 2：艺海剧院墙面和观众区直达声覆盖图(1-4kHz)
图 3：艺海剧院平面直达声覆盖图(1-4kHz)
在该项目的扩声设计中，Bose Professional采用了非对称DeltaQ阵列扬声器作为主扩声扬声器组，其中6只2组作为左右声道，4只1组作为中央声道，分别用了3种不同的水平角度和3种不同的垂直角度，将声线精确地投射到不同区域的观众席，减少不必要的反射声，提高语言清晰度(图4)和音色平衡一致性(图5)。
图4：艺海剧院观众席语言清晰度(平均值 0.58)
图 5：艺海剧院全场七个不同位置的频率响应曲线和七个位置示意图
创新始于探索，用科技创造好声音。在剧场等室内扩声应用中具有独一无二特点和优势的渐变指向性阵列，在未来将广泛应用到各个剧场剧院当中，不断颠覆观众对于室内扩声效果的想象。
参考文献
[1] Heil, C, “Sound fields radiated by multiple sound source arrays”, Presented at the 92nd Convention of the AES, March 1992, Vienna, Preprint 3269.
[2] Fidlin, P.F and Carlson, D.E, “The basic concepts & problems associated with large scale concert-sound arrays”, Presented at the 86th Convention of the AES, March 1989, Hamburg, Preprint 2802.
[3] Ureda, M.S, “J and Spiral Line arrays”, Presented at the 111th Convention of the AES, December 2001, New York, Preprint 5485.
[4] Ureda, M.S, “Line arrays, theory & applications”, Presented at the 110th Convention of the AES, May 2001, Amsterdam, Preprint 5304.
[5] Jorgensen, M., Ickler, C.B. and Jacob, K.D., “Using Subject-Based Testing to Evaluate the Accuracy of an Audible Simulation System”, Presented at the 95th Convention of the AES, October 1993, New York, Preprint 3725.
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